Dispersionen
Eigenschaften & Merkmale
Dispersionen pyrogener Metalloxidpartikel sind ein komplexes kolloidales System. Als Kolloide bezeichnet man disperse Systeme mit Teilchen, die kleiner als 1 μm sind. Dabei spielt die Oberflächenchemie der Partikel und ihre Wechselwirkungen mit Bestandteilen der Lösung eine große Rolle. Diese kann man gezielt zur Stabilisierung, aber auch zur Destabilisierung solcher Systeme ausnutzen.
Die Viskosität einer Dispersion ist ein weiterer wichtiger physikalisch-chemischerParameter. Wir charakterisieren jede unserer Dispersionen ausführlich mit modernen rheologischen Untersuchungsmethoden über einen weiten Scherbereich. Viele der Dispersionen weisen Newton’sches Fließverhalten auf. Dispersionen mit hohem Füllgrad zeigen hingegen eine leichte Scherverdünnung, d.h. sie fließen besser, wenn sie bewegt oder verarbeitet werden. Beim Stehen steigt die Viskosität wieder und die Partikel werden so weitgehend vor Sedimentation geschützt. In seltenen Fällen kann es bei extremen Scherbelastungen (>10000 s-1) auch zur Scherverdickung (Dilatanz) kommen.
Das Zetapotenzial ist ein Maß für die Oberflächenladung der Partikel. Ist dieses groß genug, stoßen sich die gleichgeladenen Partikel innerhalb der Dispersion gegenseitig elektrostatisch ab, sodass eine Koagulation verhindert wird. Dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob diese Ladungen positiv oder negativ sind. Stabil sind in der Regel Systeme mit Zetapotenzialen größer als +20 mV oder kleiner als -20 mV. Das Zetapotenzial ist dabei stark vom pH-Wert abhängig. So sind Dispersionen des von Natur aus kationischen Aluminiumoxids im sauren pH-Bereich stabil, Kieselsäure-Dispersionen hingegen bei basischen pH-Werten von ca.10. Um auch dem Wunsch nach sauren Kieselsäure-Dispersionen zu entsprechen, bieten wir kationisierte AEROSIL® Dispersionen an, derenZetapotenzial-Kurve durch den Zusatz eines kationischen Polymers im Wesentlichen derjenigen von Aluminiumoxid angepasst wird.
Da die Eigenschaften einer Dispersion ganz wesentlich vom pH-Wert der Gesamtformulierung abhängen, bieten wir Produkte für unterschiedliche pH-Bereiche an. Es ist wichtig, die für den jeweiligen Einsatzzweck geeignete Dispersion gezielt auszuwählen.
Bei der Messung von pH-Werten mit gängigen Glasmembran-Elektroden ist außerdem zu beachten, dass der pH-Wert von kolloidalen Systemen nicht nur von dessen H+-Konzentration, sondern auch von Rühr- bzw. Scherbedingungen während der Messung abhängt.
Weitere Einflussfaktoren auf die Stabilität von Dispersionen sind der Salzgehalt der Lösung, Temperatur sowie Adsorptions-Desorptionsgleichgewichte, die bei Anwendungen in komplexeren Formulierungen zu durchaus unerwarteten Effekten führen können.
Die Messung der Teilchengröße von pyrogenen Metalloxidpartikeln ist insofern schwierig, als fast ausnahmslos alle verfügbaren Messmethoden Feststoffpartikel als Kugeln „betrachten“ und die Messergebnisse entsprechend aufbereiten. Die Struktur von AEROSIL® ist jedoch nicht sphärisch, sondern es handelt sich um Aggregate von Primärteilchen. Dies führt dazu, dass verschiedene Messmethoden zu scheinbar unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Bleibt man bei einer Methode, so lassen sich die Werte untereinander durchaus vergleichen. Besonders bewährte Methoden zur Teilchengrößenmessung pyrogener Metalloxide sind die dynamische Lichtstreuung (PCS) sowie die statische Lichtstreuung (Laserbeugung).
Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Aggregatgrößenverteilung von AERODISP® W 7520, die mit statischer Lichtstreuung gemessen wurde:
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